Il Sole Domenica 18.9.16
La curva in cui abita il nostro Sole
Agli inizi del 1900 Albert Einstein elaborò una teoria scientifica rivoluzionaria conosciuta con il nome di Relatività
di Marco Drago

Agli inizi del 1900 Albert Einstein elaborò una teoria scientifica rivoluzionaria conosciuta con il nome di Relatività. Questa teoria sistemava alcune contraddizioni che nascevano dal confronto fra la relatività di Galileo (si perché è stato lo scienziato italiano a usare per primo questo termine) e la nascente teoria dell’elettromagnetismo (quella che fa funzionare i telefonini, la radio, la televisione e la corrente elettrica che passa per le nostre case). Risolvere queste contraddizioni portò però a nuovi “paradossi” scientifici contrari alla visuale comune.
Facciamo qualche esempio: un orologio in movimento ha le lancette che si muovono più lentamente rispetto a quando è fermo. Oppure, un oggetto in movimento diventa più corto rispetto a quando si misura la sua lunghezza da fermo.
Questa nuova teoria, chiamata per convenzione «Relatività ristretta» poneva pure dei problemi nell’interpretazione della teoria della gravità elaborata da Newton. Per ovviare a questa inconsistenza, Einstein propose un concetto innovativo: invece di pensare che una qualsiasi massa attragga i corpi più o meno fortemente a seconda di quanto siano vicini o lontani (come dice Newton), egli teorizza che ogni massa perturbi lo spazio che la circonda.
Cerchiamo di capire meglio. Immaginate di avere un tappeto elastico e di far scorrere delle biglie sul tappeto. Essendo il tappeto piatto le biglie correranno in linea retta. Se però appoggiate un oggetto di un certo peso, il tappeto elastico verrà deformato, per cui se le biglie si avvicinano troppo all’oggetto, tenderanno a compiere una curva. Similmente si può pensare che accada lo stesso con il sole e la terra: la terra gira attorno al sole poiché questi curva lo spazio formando una conca da cui la terra non riesce a scappare.
Questa idea rivoluzionaria fu parzialmente dimostrata solo pochi anni dopo: durante un’eclissi solare le stelle fisse vicine alla posizione del sole si vedono leggermente spostate. L’effetto è solo un’illusione: la presenza del sole ha perturbato lo spazio facendo si che la luce delle stelle venga deviata e apparentemente le stelle sembrino spostate rispetto alla posizione originale. Newton non prevede che la luce venga deviata dai corpi, perché la luce è priva di massa.
Questo fu uno dei primi passi per consolidare la nuova teoria (chiamata Relatività Generale) visto l’iniziale scetticismo degli scienziati (non possiamo dare loro tutti i torti!). Oggi la teoria della relatività, in seguito ad altre numerose prove scientifiche, è ben affermata e considerata (il GPS funziona solo grazie alla relatività generale).
Mancava però ancora una verifica sperimentale: le onde gravitazionali. La teoria infatti prevede che oggetti in movimento producano delle increspature spazio-temporali (in altri termini: il tappeto elastico viene continuamente eccitato dalle masse che ci si muovono sopra) che si propagano all’infinito (similmente alle onde elettromagnetiche). Ma queste onde sono molto deboli, non producibili in laboratorio (dovremmo avere oggetti pesanti più del sole). La caccia alle onde gravitazionali iniziò negli anni ’60, quando il fisico Weber progettò e realizzò un rivelatore a barra, che doveva misurare le onde gravitazionali provenienti dall’universo. Un ventennio dopo, vennero progettati i cosiddetti interferometri: rivelatori che sparano fasci laser lungo due direzioni diverse. Misurando la differenza di percorso dei due fasci laser si vuole registrare il passaggio di un’onda, ma la sfida è veramente grande: si vogliono misurare variazioni di lunghezza di circa un miliardesimo di miliardesimo di metro. Più piccole del nucleo di un atomo.
Tuttavia un piccolo incoraggiamento c’è: negli anni ’70 Hulse e Taylor studiano un sistema binario, e scoprono che il tempo di rotazione dei due oggetti diminuisce lentamente. Il processo è semplice da capire: i due oggetti ruotano uno attorno all’altro, questo comporta la produzione di onde gravitazionali che sottraggono energia al sistema stesso. I due corpi quindi, perdendo una piccola parte di energia, si avvicinano pian piano (molto piano) e quindi il tempo che ci mettono a fare un giro è minore. Confrontando i tempi registrati con la previsione teorica data dalla relatività generale, i due fisici trovano un accordo perfetto! Si ha quindi una prova, seppure indiretta, che queste onde gravitazionali esistano.
Servono comunque rivelatori molto sensibili per rivelarle, e gli scienziati sono costretti a migliorare sempre più gli interferometri per raggiungere l’obiettivo. I rivelatori sono così sensibili che anche far cadere accidentalmente un martello nel laboratorio crea un segnale di disturbo. Per questo vengono costruiti più rivelatori sulla terra: i due LIGO in America e l’italiano Virgo (mica potrà cadere contemporaneamente un martello sulla costa est ed ovest dell’America), per dare più confidenza alla possibile rivelazione.
Gli sforzi vengono premiati, il 14 settembre 2015 (inaspettatamente potremmo dire…) viene rivelata la prima onda gravitazionale.
Nell’incredulità e sospetto, le due collaborazioni LIGO e Virgo svolgono un’analisi approfondita dell’evento (grazie alla lunga esperienza accumulata nel corso degli anni) e stabiliscono che un evento di tal genere potrebbe avvenire per casualità una volta ogni 200000 anni. Anzi, anche meno. Inoltre, stabiliscono che l’onda gravitazionale è stata prodotta dallo scontro di due buchi neri grandi circa 30-40 volte la massa del sole. Due piccioni con una fava: prima onda gravitazionale della storia e prima rivelazione diretta di buchi neri. A dicembre un secondo evento, sempre due buchi neri, anche se stavolta più leggeri.
L’eccitazione in tutto il mondo è straordinaria: l’astronomia gravitazionale sta per iniziare! Ok, ma che ce ne facciamo? Dalle onde gravitazionali che riceviamo possiamo tentare di risalire ai processi che le hanno generate e studiare l’universo con un messaggero in più. Il Sole Domenica 18.9.16
Buchi neri, stelle a neutroni, supernove, eventi esplosivi, e… chi lo sa… forse in futuro potremmo addirittura conoscere meglio il Big Bang…